适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202411477792.1 | 申请日 | 2024-10-22 |
| 公开(公告)号 | CN119341649A | 公开(公告)日 | 2025-01-21 |
| 申请人 | 飞昂通讯科技南通有限公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 余长治; 王祚栋; 毛蔚; 白昀; | 第一发明人 | 余长治 |
| 权利人 | 飞昂通讯科技南通有限公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 飞昂通讯科技南通有限公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省南通市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省南通市经济技术开发区中央路100号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：226010 |
| 主IPC国际分类 | H04B10/516 | 所有IPC国际分类 | H04B10/516 ; H04B10/54 ; H04B10/564 ; H04B10/67 ; H04B10/69 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京恒律知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 庞立岩; |
| 摘要 | 本 发明 涉及光电通信领域，公开了适用于光电通信应用的直接多路 信号 混合调制解调方法，包括以下步骤：S1、信号调制：发射端使用高 数据速率 信号作为载波，通过改变高数据速率信号的幅度来传输低速信号；S2、信号编码与传输：对低速信号和高速信号进行编码，其中低速信号被表示为最低有效位，高速信号被表示为最高有效位，并生成多个非归零码信号用于传输；通过生成的NRZ信号控制发射端的 电流 强度，生成混合调制信号；在发射端，调节电流源生成调制信号。通过将低速信号与高速信号进行有效的混合调制，大幅减少了传输所需的光纤数量，能够将多个信号 叠加 传输，实现对有限传输带宽的高效利用，从而提升整个系统的信道效率。 | ||
| 权利要求 | 1.适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤： |
||
| 说明书全文 | 适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法技术领域[0001] 本发明涉及光电通信领域，具体为适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法。 背景技术[0002] 随着现代通信技术的快速发展，光电通信在高速、大容量数据传输中逐渐成为主流。尤其是在数据中心、长距离传输和高速互联等应用场景中，光通信技术凭借其低损耗、高带宽的特性，逐渐替代了传统的电信号传输方式。然而，尽管光通信在大数据速率和长距离传输中具有显著优势，但在某些场景下，如低速控制信号和高速数据信号的混合传输时，仍存在信道资源浪费和成本较高的问题。以现有的消费类电子产品为例，如USB等高速接口，其单通道的传输速率已经达到20Gbps。通过铜线进行传输时，即使在使用了信号重定时器(re‑timer)的情况下，最大传输距离通常也不超过3米。在数据通信领域，传输速率已经达到112Gbps甚至224Gbps，然而，使用无源铜缆传输的最大距离仍然受限，仅能达到约2米。这对许多需要更远距离传输但无法显著增加成本的应用场景提出了挑战。为了解决这一问题，光纤传输成为了极具潜力的选择。 [0003] 然而，在光通信应用中，传输信号的种类多样，包括高速信号和低速控制信号。若为每个信号单独分配光通道，将显著增加系统复杂度和成本。高速信号可以通过光纤传输，但低速信号如控制信号(CC)、次低速信号(SBU)等的传输速率较低，且并不长时间占用信道资源，若为每一个低速信号单独配置光纤，不仅增加了传输通道的数量，还大幅提高了系统成本和设计复杂度。现有的调制技术，如脉冲幅度调制(PAM)、非归零码(NRZ)等，在处理高速数据传输时性能较优，但对于低速信号的处理并不高效，特别是在异步低速信号和高速信号混合传输的情况下。 发明内容[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供了适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法，解决现有的调制技术在处理高速数据传输时性能较优，但对于低速信号的处理并不高效，特别是在异步低速信号和高速信号混合传输的情况下的问题。 [0005] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法，包括以下步骤： [0006] S1、信号调制 [0007] 发射端使用高数据速率信号作为载波，通过改变高数据速率信号的幅度来传输低速信号； [0008] S2、信号编码与传输 [0009] 对低速信号和高速信号进行编码，其中低速信号被表示为最低有效位，高速信号被表示为最高有效位，并生成多个非归零码信号用于传输； [0010] 通过生成的NRZ信号控制发射端的电流强度，生成混合调制信号； [0011] 在发射端，调节电流源生成调制信号，并将生成的调制信号转换为光信号进行传输至接收端。 [0012] 优选的，所述接收端执行以下步骤： [0014] 电信号差分处理：将放大后的电信号转换为差分信号进行处理。 [0016] 优选的，所述发射端通过预失真处理技术调整调制信号的幅度，以补偿调制信号在传输过程中的非线性失真。 [0017] 优选的，所述发射端根据以下编码规则生成非归零码信号：当最高有效位和最低有效位均为0时，输出信号为第一电平；当最高有效位为0且最低有效位为1时，输出信号为第二电平；当最高有效位为1且最低有效位为0时，输出信号为第三电平；当最高有效位和最低有效位均为1时，输出信号为第四电平。 [0019] 优选的，所述发射端和接收端根据信号传输速率和传输条件动态调整电流源和增益控制后优化功率消耗。 [0021] 优选的，所述适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法支持多级脉冲幅度调制，通过增加信号的调制电平，提升信道的频谱利用率。 [0022] 优选的，所述发射端和接收端通过实时反馈回路自适应调整信号的调制深度、编码方式和功率设置来适应信道状况的变化。 [0023] 本发明提供了适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法。 [0024] 具备以下有益效果： [0025] 1、本发明通过将低速信号与高速信号进行有效的混合调制，大幅减少了传输所需的光纤数量。在传统方案中，为每个信号单独分配光路会导致光纤资源的浪费，而本方法能够将多个信号叠加传输，实现对有限传输带宽的高效利用，从而提升整个系统的信道效率。 [0026] 2、本发明通过将多路异步信号直接混合进行调制，本发明有效减少了系统中所需的通道数量。相比传统的为每路信号分别分配光通道的方案，该方法显著降低了系统设计的复杂度。同时，减少的光通道数量也大幅降低了光电通信系统的硬件成本，尤其适用于成本敏感的消费电子领域和数据通信场景。 [0027] 3、本发明通过预失真技术，本发明能够在信号传输前对调制信号的非线性失真进行补偿，从而在接收端获得更加精确的信号恢复。这一技术有效提高了信号传输的稳定性和质量，特别适用于长距离高频传输，减少了由信号畸变引起的误码率。 [0028] 4、本发明采用动态功率调节机制，根据信号的传输速率和传输条件自动调整功率消耗。当系统处于低速传输状态时，减少功耗；而在高速传输时，提供足够的功率来保证信号质量，从而在不影响性能的情况下优化整体系统的能耗。附图说明 [0029] 图1为本发明的Tx时序图； [0030] 图2为本发明的Tx原理图； [0031] 图3为本发明的Rx原理图； [0032] 图4为本发明的包络检测器原理框图； [0033] 图5为本发明的包络检测与其对应参考电压示例图。 具体实施方式[0034] 下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0035] 请参阅附图1‑附图5，本发明实施例提供适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法，包括以下步骤： [0036] S1、信号调制 [0037] 发射端使用高数据速率信号作为载波，通过改变高数据速率信号的幅度来传输低速信号； [0038] S2、信号编码与传输 [0039] 对低速信号和高速信号进行编码，其中低速信号被表示为最低有效位，高速信号被表示为最高有效位，并生成多个非归零码信号用于传输； [0040] 通过生成的NRZ信号控制发射端的电流强度，生成混合调制信号； [0041] 在发射端，调节电流源生成调制信号，并将生成的调制信号转换为光信号进行传输至接收端。 [0042] 具体的，描述了整个方法的基础流程，主要分为两个步骤(S1和S2)。在S1中，高速数据信号被用作载波，通过调制其幅度以传输低速信号。S2涉及编码与传输，通过将低速信号(LSB)和高速信号(MSB)分别进行编码生成多个NRZ信号进行传输。 [0043] S1：信号调制：这一部分是光电通信中的核心步骤，通过将高速信号作为载波，使得低速信号能够被有效地传输。调幅(AM)技术的使用允许高频信号作为主载波，同时通过改变其幅度来嵌入低速信号，减少了信道的复杂性。 [0044] S2：信号编码与传输：通过LSB和MSB的编码生成NRZ信号来传输，可以有效地节省带宽并减少信号的冲突。NRZ信号是一种常用的数字信号编码方法，它没有归零状态，因此在传输过程中更加稳定。 [0045] 接收端执行以下步骤： [0047] 电信号差分处理：将放大后的电信号转换为差分信号进行处理。 [0048] 具体的，光信号通过光电二极管(PD)转换为电信号是光通信系统中的基本操作。PD能够将光信号中携带的数据以电流的形式传出。TIA和AGC是放大电信号的关键设备，TIA通过跨阻转换提升信号强度，而AGC则用于动态调整信号增益，确保信号在后续处理中保持稳定，避免失真。 [0049] 接收端通过包络检测器和限幅放大器恢复最低有效位和最高有效位信号，并使用自适应参考电压电路提取高阶调制信号。 [0050] 具体的，包络检测器可以通过提取信号的包络信息来恢复原始的调制信号，限幅放大器则有助于增强信号幅度，确保LSB和MSB信号的准确恢复。自适应参考电压系统可以实时调整电压阈值，确保调制信号在不同传输条件下都能正确解调。 [0051] 发射端通过预失真处理技术调整调制信号的幅度，以补偿调制信号在传输过程中的非线性失真。 [0052] 具体的，在光通信中，由于光纤或发射器的非线性效应，传输信号可能会失真。预失真技术是通过在信号发送之前，对信号进行反向失真的调整，补偿可能在传输过程中出现的失真，确保接收端收到的信号更加接近原始信号。 [0053] 发射端根据以下编码规则生成非归零码信号：当最高有效位和最低有效位均为0时，输出信号为第一电平；当最高有效位为0且最低有效位为1时，输出信号为第二电平；当最高有效位为1且最低有效位为0时，输出信号为第三电平；当最高有效位和最低有效位均为1时，输出信号为第四电平。 [0054] 具体的，这种编码规则定义了MSB和LSB的组合与输出信号电平之间的关系。通过这种明确的编码方案，能够确保在发射端准确生成信号的电平，并减少信号在传输过程中的干扰。NRZ信号的电平变化会影响接收端的解码，因此编码规则的准确性非常重要。 [0055] 包络检测器通过使用自适应电压生成模块对接收的信号电平进行采样，并根据采样结果动态调整参考电压，准确恢复最高有效位信号。 [0056] 具体的，自适应电压生成模块能够根据接收信号的电平波动实时调整参考电压，以确保MSB信号的精确恢复。这种动态调整机制对于应对光纤通信中由于温度、噪声等外界因素引起的信号变化非常关键，能够提高信号的抗干扰能力。 [0057] 发射端和接收端根据信号传输速率和传输条件动态调整电流源和增益控制后优化功率消耗。 [0058] 具体的，动态功率调整技术可以根据当前的传输速率和传输条件实时调节功率输出。例如，当信号传输速率较低时，降低发射端和接收端的功耗，以节约能源；当信号速率较高时，增加功率以确保信号的质量。该方法不仅能优化功耗，还能提高系统的整体效率。 [0059] 接收端通过引入错误检测与纠错模块，结合数字信号处理算法增强信号的抗干扰能力。 [0060] 具体的，FEC模块能够在信号接收过程中通过一定的冗余编码，检测并纠正传输中出现的错误。通过在信号中引入冗余信息，即使在光信号传输中受到干扰，接收端也能通过FEC模块恢复原始信号。这大大提高了系统的抗干扰能力，并减少了误码率。 [0061] 适用于光电通信应用的直接多路信号混合调制解调方法支持多级脉冲幅度调制，通过增加信号的调制电平，提升信道的频谱利用率，并在相同带宽下提供更高的数据传输速率。 [0062] 具体的，多级脉冲幅度调制(如PAM‑4、PAM‑8)允许每个信号周期内传输多个电平，增加了每个符号能携带的信息量。相比传统的NRZ调制，多级调制能够显著提升信道的频谱利用率，从而在有限的带宽内实现更高的数据传输速率。 [0063] 发射端和接收端通过实时反馈回路自适应调整信号的调制深度、编码方式和功率设置来适应信道状况的变化。 [0064] 具体的，反馈回路的引入允许系统根据实际的信道状况实时调整发射和接收参数。例如，当信道条件恶化时，系统可以通过反馈回路降低调制深度或改变编码方式，以确保信号能够正常传输。当信道条件改善时，系统可以恢复高深度调制，从而提高数据速率。这种自适应调节机制保证了系统的稳定性和传输的可靠性。 [0065] 以光通信网络为例做出如下说明： [0066] 首先，以两个NRZ信号混合为例，数据速率较高的信号在正常传输的同时用作载波，数据速率低的信号通过改变数据速率较高的信号的幅度以达到传输的目的，如图1ITX所示。在将两个信号叠加之后生成的信号一共有四个电平，与通常意义上所说的PAM‑4信号所不同的是：由于是两个信号是异步突发NRZ信号，叠加后的信号眼图除中间的眼之外上下两个眼没有固定频率特征也因此不具有固定眼宽。而眼高则根据输出电流大小所对应的电平来确定。 [0067] 为了进一步补偿接收端可能存在的非线性特征，需要在发射端做预失真处理，将四个电平的相对比例做成可调编码的形式，方法如下： [0068] 分别根据传输数据速率的高低分别将两个信号以LSB和MSB表示，对应的表达式为： [0069] D2＝MSB·LSB [0070] D1＝LSB [0071] [0072] 上述表达式的真值表如Table 1.所示，MSB和LSB经过编码后输出D0，D1和D2三个NRZ信号，通过这三个信号分别控制单位电流从而实现信号混合的目的。即，在LSB信号的同时传输MSB信号，且MSB与LSB可以是异步信号： [0073] 当MSB为0时，LSB的swing在l～2l之间 [0074] 当MSB为1时，LSB的swing在0～3l之间 [0075] 与其对应的Tx实现方式如Fig.2.所示： [0076] 由电流源IBIAS产生基础偏置电流使VCSEL处于工作状态，在此基础上通过调节ID0～ID2电流的通断来控制调制信号的形成；通过调节每个比特位的电流大小对“眼高”进行微调，如Fig.2所示。进而被转化成光信号。 [0077] 接收端(Rx)原理图如图3所示，在正式接收信号之前，Tx与Rx工作在训练模式下，Tx发出的信号经过光纤照射在感光二极管上激发感光电流，经过TIA和AGC放大后由S2D电路将信号转换为差分信号，为保证TIA处于合适的静态工作点，需要DC控制环路(DCC)辅助产生合适的下拉电流，待DCC环路稳定后，进入任务模式，开始传输数据。在训练模式下，发射端发出的信号编码具有DC平衡特征，便于DCC收敛。 [0078] 在任务模式下，输入光信号经过TIA和AGC放大后由S2D电路将信号转换为差分信号，分别送入限幅放大器(Limiting AMP)和包络检测器(Envelope Detector)，经由毛刺去除电路去除毛刺之后最终将MSB和LSB分别恢复成do_env和do信号。 [0079] 其中，包络检测器由3个slicer和与其对应的反馈逻辑以及参考电压产生电路(Vref Gen.)构成。如图4所示，分别用于对PAM‑4信号的V3和V4做自适应采样，自适应采样所得的均值所对应的电压Vref_env则作为提取包络的参考电压，如图5所示。为应对PVT变化，即使在任务模式下也需要对Vref_env做自适应调整，以确保电压值处于V3和V4中间。 [0080] 表一信号编码方式 [0081] [0082] [0083] 表格字段解释： [0084] MSB(Most Significant Bit)： [0085] 表示“最高有效位”，它是传输数据中最重要的位，通常代表数据中的最大权重。在此表格中，MSB可以取值为0或1，表示不同的信号状态。 [0086] LSB(Least Significant Bit)： [0087] 表示“最低有效位”，它是传输数据中最低权重的位。LSB在此表格中也可以取值为0或1，决定输出信号的部分内容。 [0088] D： [0089] 这是经过编码后的第三个输出信号。它由MSB和LSB共同决定，用于表示混合信号的状态。在该表中，D的值取决于MSB和LSB的组合，特定情况下为1或0。 [0090] D： [0091] 这是经过编码后的第二个输出信号。类似于D，它也是通过MSB和LSB的组合来决定信号的输出状态。该位用于表征调制信号的某一电平或状态。 [0092] D： [0093] 这是经过编码后的第一个输出信号。D的输出值也是基于MSB和LSB的组合，表格显示了在不同组合下D的输出结果。 [0094] 具体表格数据解释： [0095] 第一行(MSB＝0,LSB＝0)：此组合下，D、D输出为0，而D输出为1，表示该状态下的特定信号电平或幅度。 [0096] 第二行(MSB＝0,LSB＝1)：此组合下，D和D输出为1，D输出为0，表示另一种信号状态。 [0097] 第三行(MSB＝1,LSB＝0)：此组合下，所有的D、D和D均输出为0，表示最低的信号状态或幅度。 [0098] 第四行(MSB＝1,LSB＝1)：在MSB和LSB都为1的情况下，D、D和D都输出为1，表示该状态下的最高信号电平。 |
||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈